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X射线、 MRI (核磁共振)和PET等成像技术曾给医学带来了革命性的变化，使得医生可以更近地观察人体的大脑和其它器官。但是，现代医学发展到了今天，医生给癌症病人做手术的时候，仍然会遇到一个很大的难题——如何精准地切除肿瘤组织。因为肉眼不能很好地区分正常细胞和癌细胞，而现有的显微成像技术并不能在手术过程中实时监测活细胞，这常常导致肿瘤组织切除不完全或是多切了正常组织。但随着一项新的科学技术发明，这一难题有望得到解决。

近日，来自哥伦比亚大学闵玮教授课题组在Nature Communications上发表了题为Optical imaging of metabolic dynamics in animals的论文，研究人员发明的一项新的成像技术(命名为DO-SRS), 成功实现了在亚细胞级别追踪动物体活细胞内新陈代谢的变化。此文入选了Nature Communications当期的亮点介绍(https://www.nature.com/collections/pkgztbmgly)。

这项新的成像技术采用了广泛使用的重水(D2O)作为化学示踪剂，并结合了受激拉曼散射(SRS)显微镜成像。通过对碳 - 氘（C-D）振动光谱的系统研究，研究者们区分并鉴别出了C-D键在新合成的脂质，蛋白质和DNA中由于不同化学环境导致的不同的拉曼光谱位移。通过将DO-SRS显微镜应用于活细胞和动物，研究者们不仅展示了这项技术广泛的实用性、高灵敏度、非侵入性、亚细胞尺度的分辨率、与其他成像模式的兼容性，以及哺乳动物体内活体成像的适用性，而且提供了对于几种重要生物过程的代谢基础的新的启示。 随着将来SRS显微镜和内窥镜的结合，这项技术将可以基于癌细胞和正常细胞新陈代谢速度的不同而帮助医生辨别癌细胞和正常细胞的界线,从而快速准确地定位并切除肿瘤, 以及协助医生和研究人员探查颅脑受损,身体器官的发育状态以及新陈代谢的疾病。 这将使DO-SRS成为一系列成像技术里程碑中的新一个。

论文的通讯作者闵玮教授。闵玮教授2003年毕业于北京大学，2008年在哈佛大学获化学博士学位，导师为美国科学院院士谢晓亮教授，之后在其课题组从事博士后研究。闵玮博士现任哥伦比亚大学化学系终身教授。

该研究的通讯作者,哥伦比亚大学化学系教授闵玮表示,“利用这个技术我们可以实时观察到多种动物体内的新陈代谢活动。通过追踪新的蛋白质, 脂质和DNA分子形成的时间和部位,我们可以掌握更多关于动物发育,衰老的情况,也可以在动物受伤或生病时探查什么地方出了问题。”

1932年，当时的哥伦比亚大学化学教授Harold Urey 从液态氢中分离出氘, 1934年他因此发现获得诺贝尔化学奖。现在，氘不仅被用作质谱分析中的诊断工具,还被应用在跟踪大洋环流、生产核能、研究宇宙起源,以及其它许多方面。D2O比水（H2O）的相对分子质量高出约11%，因此叫做重水。在天然水中，重水的含量约占0.02%。由于氘与氢的性质差别极小，因此重水和普通水也很相似。与超重水（T2O）不同，重水并不具有放射性，少量饮用对动植物也不具有毒性。以前的研究已经利用重水来标记从身体提取的细胞里的蛋白质和脂质, 并用质谱仪加以分析，从而探测动物的代谢变化。但质谱分析需要破坏样品，而目前这项新技术结合了重水标记和受激拉曼散射显微镜成像, 可以实时观察动物体内活细胞的变化。

受激拉曼散射（SRS）显微镜是2008年闵玮教授在前不久刚全职回国的谢晓亮院士组做博士后时共同发明的一项新型光学成像技术（Science 322: p1857-1861, 2008）。通过将两束时空同步，且能量差值与目标分子振动能级匹配的激光照射在样品上，拉曼效应可以被受激放大8个量级，从而实现极高的化学和时间分辨率。其浓度分辨率高于1mM，甚至可以达到1µM以下（Nature 544: p465-470, 2017）。

当重水被生物体内的细胞代谢时,氘原子便结合到新合成的蛋白质、脂质和DNA 分子里与碳原子形成了新的C-D化学键。由于拉曼振动相比于荧光峰宽极窄，拉曼振动峰对于不同的微环境非常灵敏, 研究人员发现这些新生成的C-D键在不同种类的新合成的大分子里会产生不同的振动频率信号。通过用SRS显微镜追踪这些信号特征, 研究人员就可以无破坏地识别出动物的大脑、内脏、皮肤或其它器官内亚细胞水平上蛋白质、 脂质或DNA新生成的部位以及分布。这是任何已有的技术都无法实现的。 如下图所示，这项技术可以实时追踪老鼠同一细胞新生成的脂质，蛋白质和DNA的分布。

图1：当老鼠饮用重水, 氘（D）经新陈代谢活动合成为新的蛋白质，脂质和DNA,这些生物大分子每一种在SRS显微镜下可以单独成像。（Min lab / Columbia U）

该研究的第一作者,哥伦比亚大学博士后研究员石玲燕表示:“利用这项新技术我们获得了动物体内活细胞连续变化的动态视频,而以前我们只能截取到单张图片。” 在这个研究中,研究人员把重水和普通水按照一定比例混合在一起后分别给小鼠、秀丽线虫和斑马鱼胚胎饮用。经过几小时或几天后，他们再用SRS显微镜观察和检测不同的组织中新合成的被氘原子标记的蛋白质、脂质和DNA。

用这种方法研究人员能够成功观测到小鼠的结肠肿瘤和大脑肿瘤周围形成的一条清晰的边界线。这是因为癌细胞和正常细胞相比代谢旺盛，分裂迅速，也就生成了更多的氘标记的蛋白质和脂质。所以这种基于监测细胞代谢的成像技术能够在亚细胞的级别上观察到肿瘤,从而可以帮助医生抓获每一个癌细胞。

图2：老鼠结肠肿瘤（左）和脑肿瘤（右）细胞相对正常细胞代谢更旺盛，生成了更多的D标记的蛋白质和脂质，在DO-SRS显微镜下可以观察到肿瘤和正常细胞的清晰界限  （Min lab / Columbia U）

研究人员还用这项技术进行了一系列关于动物发育和衰老的研究，并得到了很多新的见解和启示。例如：

1）在秀丽线虫中，他们观察到线虫的生殖系统中的脂质随着线虫的成熟而增加和随着衰老而减少。他们发现，脂肪有助于线虫的卵子成熟，一旦这些脂肪对于线虫的生殖不再有用，脂肪的形成就会减慢。他们还在老虫体中看到了新蛋白质形成的团块，这表明氘标记的SRS成像可用于追踪蛋白质沉积物，从而跟踪与衰老相关的疾病。

图3：秀丽线虫生殖系统中的脂肪含量随线虫老化而变化（Min lab / Columbia U）

2） 在幼鼠大脑发育过程中, 闵玮实验室的研究人员发现大脑细胞轴突周围形成了一层绝缘脂肪，称为髓鞘。可以实时观察这个过程意味着研究人员可以利用氘标记SRS成像技术判断儿童的大脑是否正常发育或监测大脑发育停滞，以及患有多发性硬化症的患者的恢复状况（多发性硬化是一种攻击大脑髓鞘并扰乱神经信号传导的中枢神经系统疾病）。

图4：（左） 成像显示5天大幼鼠脑细胞还没有形成脂肪组成的髓鞘。（右）11天大的幼鼠脑细胞轴突周围形成了脂肪组成的髓鞘。DO-SRS成像技术抓拍到了随着幼鼠大脑发育，髓鞘形成过程中脂肪分子的快速增长过程。 检测正常和异常髓鞘形成的能力可以帮助检测头部损伤并监测多发性硬化的进展。 （Min lab / Columbia U）

3） 在小鼠汗腺细胞中, 研究人员观察到在汗腺外围的细胞里产生了新的脂质, 并向内推动老的细胞。当这些老细胞最终被挤到汗腺中央时, 他们就会死亡并被分泌出来, 这个过程被认为可以滋润皮肤和长在上面的毛发。

图5  小鼠汗腺细胞新陈代谢过程中脂肪分子的生成以及老年细胞逐渐被推到腺体中央并从体内排出的过程 （Min lab / Columbia U）

据悉，加州大学尔湾分校化学教授Eric Potma评价这项研究时表示， “这个成像技术的最精彩之处在于它的简单易用——仅需要给动物饮用少量重水然后进行SRS成像——它用了几乎最小的努力就提供了极其生动的新陈代谢的图象。而随着SRS显微镜的小型化, 氘标记SRS显微镜成像技术将会有助于各种肿瘤的早期诊断。”

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